Enfermedades debidas a defectos en la cadena respiratoria

CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL
5 COMPLEJOS
> 100 POLIPEPTIDOS
DNA mitocondrial
(13 polipéptidos)
DNA nuclear
MUTACIONES ( mitocondriales 10-20
veces más frecuentes)
ENFERMEDADES
HERENCIA
•AUTOSÓMICAS
•MATERNALES
•ESPORÁDICAS
Incidencia 1 en 5.000
AMPLIO RANGO DE
PRESENTACIONES
CLÍNICAS
ANTECEDENTES
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1962: Primer caso. Joven sueca que presentaba un estado
hipermetabólico no tiroideo con mitocondrias estructuralmente
anormales y con la función de la CR alterada (hoy: enf de Lufts).
’60-’80: Enfermedades de la cadena respiratoria asociadas con
desórdenes neuromusculares que presentaban RRFs en secciones de
músculo teñidos con la tinción de tricromo-Gomorri modificada,
mitocondrias estructuralmente anormales y disfunción de los
complejos enzimáticos de la CR.
1963: Se descubre el DNA mitocondrial.
1980: principios básicos de la genética mitocondrial y determinación
de la secuencia completa del DNA mitocondrial.
1988: primera mutación patogénica del DNA mitocondrial.
’90: se reportan más de 100 mutaciones patogénicas del DNA
mitocondrial asociadas con un amplio rango de fenotipos.
HOY: Enfermedad de la CR: asociadas a un enorme espectro de
desordenes clínicos y no confinadas a desordenes neuromusculares
con RRFs, mitocondrias estructuralmente anormales y disfunción de
los complejos enzimáticos de la CR. Una de las clases más comunes
de enfermedades degenerativas.
R. Luft (1914–2007)
G. Milton Shy
(1919–1967)
Anita Harding
(1952–1995)
En la MITOCONDRIA las deshidrogenasas unidas a NADH son: la piruvato deshidrogenasa, las
enzimas del ciclo de Krebs (isocitrato, -cetoglutarato y la malato deshidrogenasa), las
enzimas del ciclo de oxidación de los ácidos grasos (3-OH acilCoA deshidrogenenasas) y la
glutamato deshidrogenasa que funciona en el catabolismo de aa y la -hidroxibutirato
deshidrogenasa que participa en la formación de cuerpos cetónicos.
En el CITOSOL las deshidrogenasas más importantes unidas a NAD
son las enzimas glicolíticas: gliceraldehido-fosfato
deshidrogenasa y lactato deshidrogenasa.
Aspartato
transaminasa
citosolica
Malato
deshidrogenasa
CADENA H: 12 S y 16 S rRNAs, 14 tRNA, y 12 genes de subunidades
de la CR.
CADENA L: 1 gen de una subunidad de la CR y 8 tRNAs.
GENETICA MITOCONDRIAL
La mitocondria tiene una genética singular como resultado de su alto numero de copias y su
localización citoplasmática.
1. HERENCIA MATERNAL:
2. SEGREGACIÓN REPLICATIVA
3. EFECTO UMBRAL:
4. ALTA VELOCIDAD DE MUTACIÓN DEL DNA MITOCONDRIAL RELATIVA AL DNA NUCLEAR:
5. ACUMULACIÓN DE MUTACIONES DEL DNA MITOCONDRIAL SOMATICAS Y DEL ENVENJECIMIENTO:
CURSO DEGENERATIVO
La velocidad del declive en la capacidad generativa de ATP de los pacientes depende
de:
•la patogeneicidad de la mutación del mtDNA heredado
•el % del mt DNA mutado en individuos heteroplásmicos
•acumulación de mutaciones somáticas con la edad
•insultos del medio ambiente
CLASIFICACION GENETICA
1.
2.
3.
4.
MUTACIONES del mtDNA
MUTACIONES del nDNA: múltiples deleciones y depleciones del mtDNA
MUTACIONES del nDNA codificantes de subunidades de la CR
MUTACIONES del nDNA codificantes de proteínas que participan
indirectamente en la CR
a. Defectos en el importe de proteínas mitocondriales
b. Defectos en la dinámica mitocondrial
c. Defectos en el entorno lipídico de la membrana mitocondrial.
MUTACIONES del mtDNA:
incidencia en conjunto de 1/5000
1/200 muestras de cordones portan mutaciones patogénicas
pero la mayoría con un % menor al patogénico
NEUROPATIA ÓPTICA HEREDITARIA DE LEBER (LHON)
Primer enfermedad descripta con una mutación
puntual del mtDNA (1988). Pérdida indolora de la
agudeza visual central entre 12-30 años.
11 mutaciones asociados con LHON.
MUTACION 11778: es la causa más común de LHON
(50-70 % Europa y 90 % Japón). Arg --> Hist en ND4
del complejo I.
Theodor Karl Gustav von Leber
)
(1840–1917
MUTACION 3460: 2º causa más común. Ala -->Treo en
ND1 del complejo I . 15-25 % de los casos de LHON.
MERRF: enf de fibras rojas rotas y epilepsia
Caracterizada por epilepsia mioclónica progresiva, miopatía
mitocondrial con RRFs y demencia progresiva lenta. Comienzo de
síntomas en la infancia tardía (después de los 10 años) a la
adultez.
En el 80-90 % = mutación pb 8344 heteroplásmica en el gen
tRNALys (identificada en 1990). Otra pb 8356.
Actividad del Complejo I y IV  =>  sintesis mitocondrial ya que
estos complejos tienen el mayor número de subunidades
codificadas por el mt DNA.
RED RAGGED FIBERS:
Tinción de GOMORRI
El amplio rango de
manifestaciones clínicas
están asociados con la
capacidad generante de
ATP.
MELAS: encefalomiopatia mitocondrial, acidosis láctica y
episodios tipo Strokes:
Es una enfermedad neurodegenerativa progresiva que esta
caracterizada por episodios tipo Strokes (abolición de la función
cerebral generalmente por embolia) y una miopatía
mitocondrial.
80 %: mutación en el pb 3243 del gen de tRNALeu
7.5%: mutación en el pb 3271 del mismo gen.
Los pacientes pueden ser normales hasta el primer episodio de
Stroke, el cual ocurre entre los 5-15 años. Alternativamente,
pueden presentar en la infancia una amplia variedad de
anormalidades en el desarrollo cognitiva y motor. En las áreas
afectadas por el Stroke se observa perdida neuronal,
desmielinización y proliferación astrocítica.
NARP: RETINOPATIA PIGMENTARIA Y NEURODEGENERACION:
Degeneración retinal pigmentaria asociada con grados
variables de disfunción neurológica.
Mutación en el pb 8993 del gen que codifica para la ATPasa 6
Leu --> Arg
Una mutación en el mismo gen pero Leu --> Pro: Enfermedad
de Leight (fenotipo más severo): encefalomiopatia
necrozante subaguda.
Asociado con lesiones neuropatológicas características.
Edad de comienzo: 1.5 años
Muerte: 5 años
Manifestaciones clínicas: variables según % de DNA mutado.
Denis A. Leigh (1915–1998)
MUTACIONES del nDNA: múltiples deleciones y
depleciones del mtDNA.
Mutaciones en genes nucleares codificantes de proteínas que participan en
mantenimiento y expresión del mtDNA
Las deleciones del mtDNA generalmente salvan los orígenes de
replicación, OH y OL definiéndose así dos arcos:. Más del 90 % de las
deleciones ocurren en el arco mayor, el cual contiene 2/3 del genoma.
De las 100 diferentes deleciones reportadas en el arco mayor, la más
común es la de 4.9 kb en el 50 % de los casos. Pacientes con
prominente defecto en la síntesis mitocondrial.
Las deleciones ocurren durante la embriogénesis y aumentan con la
edad => curso degenerativo progresivo.
Thomas P. Kearns
(ophthalmologist, 1922–) and
George P. Sayer (pathologist,
1911–1992)
KSS:SINDROME DE KEARNS-SAYRE: comienzo antes de los 20 años:
oftalmoplejía, atípica retinitis pigmentaria, miopatía mitocondrial.
CPEO: OFTALMOPLEJÍA EXTERNA PROGRESIVA CRONICA: comienzo después de
los 20 años.
La mayoría asociada mutaciones autosómicas dominantes o recesivas en 3
genes: POLG1 (subunidad catalítica de la enzima replicante, polimerasa del
mtDNA), PEO1 (codificante de Twinkle helicasa del mtDNA) y ANT1 (el
traslocador de adenin-nucleótidos específico de musculo y corazón)
KSS y CPEO: debido a duplicaciones del mt DNA. Involucran la insersión de un
fragmento de mt DNA dentro del genoma del mt DNA. Son heteroplásmicas.
Clínicamente indistinguibles de los pacientes con deleciones.
Encefalopatía mitocondrial neurogastrointestinal (MNGIE)
Desorden multisistémico devastante. Mutación en la
enzima(TP) que controla el pool de trifosfato
de
deoxiribonucleotido que afecta la replicación del mtDNA.
Se observan múltiples deleciones y depleciones del mtDNA.
Síndrome de depleción del mtDNA (MDS)
Reducción en el número de copias de mtDNA. Han sido
registradas mutaciones en 9 genes: (TP, PEO1, dGUOK,
POLG1, SUCLG1, MPV17, y RRM2B, TK2, SUCLA1).
Proteínas involucradas en la homeostaisis del pool de
nucleótidos mitocondriales.
Sindrome de Pearson:
Deleciones. Afecta predominantemente la médula ósea.
MUTACIONES del nDNA codificantes de
subunidades (proteínas o no) de la CR
Disfunción de proteínas
1.
2.
3.
Mutaciones en subunidades de complejo II:
Mutaciones en la subunidad VII de complejo III.
Mutaciones en la subunidad COX6B1 de complejo IV:.
Disfunción de no proteínas
Mutaciones en los genes de la biosíntesis de
coenzima Q10 Es muy importante identificar
este desorden ya que este desorden se
puede curar por tratamiento con coenzima
Q10 .
MUTACIONES del nDNA codificantes de
proteínas que participan indirectamente en
la CR
a. Defectos en el importe de proteínas
mitocondriales
b. Defectos en la dinámica mitocondrial
c. Defectos en el entorno lipídico de la membrana
mitocondrial.
PACIENTES DE RIESGO:
•Estado redox alterado  NADH/NAD
•Elevado lactato/piruvato después de ingesta
•Cuerpos cetónicos elevados después de ingesta
•Test de confirmación por sobrecarga de
glucosa o post-ejercicio
BIOPSIA DE MUSCULO:
Se toman muestras de 3 g en adultos y de 1-2 g en niños y se
dividen en 4 partes:
Análisis por microscopio electrónico e histoquímica
•TincióndeGomorri: RRFs (MELAS, MERRF, KSS,CPEO,MM)
•Microscopia electrónica: mitoc. anormales c/incl. paracristalinas
•Inmunohistoquímica de los complejos de la CR.
Aislamiento inmediato de las mitocondrias, se congelan a –80 C
para evaluar las actividades de los complejos.
Enfreezado en N2 líquido para extraer DNA o RNA y analizar
mutaciones puntuales y deleciones.
Crear líneas celulares para estudios genéticos y bioquímicos
Transverse tissue sections that are reacted for both cytochrome c oxidase (COX) and succinate dehydrogenase (SDH) activities
sequentially, with COX-positive cells shown in brown and COX-deficient cells shown in blue. a Skeletal muscle from a patient with a
heteroplasmic mitochondrial tRNA point mutation. The section shows a typical ‘mosaic’ pattern of COX activity, with many muscle fibres
harbouring levels of mutated mtDNA that are above the crucial threshold to produce a functional enzyme complex. b Cardiac tissue (left
ventricle) from a patient with a homoplasmic tRNA mutation that causes hypertrophic cardiomyopathy, which demonstrates an absence of
COX in most cells. c A section of cerebellum from a patient with an mtDNA rearrangement that highlights the presence of COXdeficient neurons. d,e Tissues that show COX deficiency that is due to clonal expansion of somatic mtDNA mutations within single cells —
a phenomenon that is seen in both post-mitotic cells (d; extraocular muscles) and rapidly dividing cells (e; colonic crypt) in ageing
humans.
Tratamientos
Aún no existe uno satisfactorio.
Descompensaciones: dialisis y bicarbonato para controlar la acidosis láctica.
Ataques: anticonvulsivantes excepto fenobarbital y valproato que puede
inhibir la CR.
Carnitina si existe deficit 2º por inh del transp p/Acylcarn de cadena larga
Mejoradores de la actividad de la CR y antioxidantes
La Terapia metabólica no es muy promisoria, las esperanzas están puestas en
la TERAPIA GENICA:
•Dirigida al núcleo: enviar el gen que codifica correctamente para la proteína
alterada al núcleo donde se exprese y luego se importe a la mitocondria. Para
ello hay que fusionar el gen de la proteína a un gen que codifique para una
pre-secuencia que direccione la proteína para su importación a la mitocondria.
Se usa sólo para genes estructurales no para rRNA ni tRNA.
•Dirigido a la mitocondria, esta terapia se puede aplicar a cualquier gen
mitocondrial, se usa un péptido unido al DNA para señalizarlo a la mitocondria.
Útil para los tRNA, el más interesante es el tRNALeu en el que se localizan
muchas mutaciones patogénicas.